CONTEXTE ET ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
[0001] La présente invention appartient au domaine de l'optique, et plus précisément concerne
un élément optique monobloc comprenant un diaphragme, de préférence incorporé à un
capteur d'empreintes digitales.
[0002] Le domaine de la biométrie fait souvent appel à des systèmes optiques afin d'acquérir
les données biométriques qui doivent être traitées. C'est en particulier le cas pour
les capteurs d'empreintes digitales, qui doivent illuminer un doigt et en récupérer
la lumière pour la traiter.
[0003] La figure 1 montre un exemple d'un système optique 100 utilisé dans un capteur d'empreintes
digitales. Un tel système optique comprend plusieurs éléments distincts. Un prisme
101 est utilisé pour recevoir à sa surface le doigt dont les empreintes digitales
doivent être acquises. La lumière résultant de l'interaction entre le doigt et le
prisme 101 passe dans une première lentille 103, puis est réfléchie par un miroir
104. La lumière traverse deux lentilles 105a et 105b, puis traverse la pupille d'un
diaphragme 106 avant d'atteindre un imageur 107.
[0004] Comme on peut le constater, la lumière est amenée à traverser plusieurs éléments
du système optique 100. Or, chacun de ses éléments agit sur la lumière en fonction
non seulement de sa structure, mais également de sa disposition dans le trajet lumineux.
Toute déviation d'une caractéristique d'un élément dégrade irréversiblement la qualité
du faisceau lumineux. Par exemple, un simple mauvais appairage entre elles des lentilles
105a et 105b peut faire chuter la performance du capteur de près de 40 %.
[0005] Il est donc nécessaire de s'assurer que chacun des éléments réponde à des exigences
strictes de fabrication, et que ces éléments soient précisément disposés lors de l'assemblage
du système. Ces contraintes rendent complexes et coûteuses la fabrication de tels
capteurs.
[0006] La création d'un élément optique remplissant les fonctions de plusieurs de ces éléments
a jusqu'à présent buté sur plusieurs obstacles qui rendaient préférable de continuer
à utiliser des éléments optiques distincts. En particulier, la présence d'un diaphragme
dans un tel élément optique présentait des difficultés de réalisation dissuadant l'homme
du métier de l'envisager.
PRESENTATION DE L'INVENTION
[0007] L'invention a pour but de remédier au moins en partie à ces inconvénients et préférentiellement
à tous, et vise notamment à proposer un élément optique monobloc comprenant un diaphragme
d'ouverture formé dans la masse du matériau permettant de contrôler l'angle des rayons
lumineux le traversant, sans altération de ceux-ci, qui soit simple et peu onéreux
à fabriquer.
[0008] A cet effet, il est proposé un élément optique monobloc constitué d'un matériau transparent
pour une lumière, ledit élément optique comprenant un diaphragme formé dans la masse
dudit matériau transparent, le diaphragme comprenant :
- un orifice constitué dudit matériau transparent, adapté pour le passage de la lumière
à travers ledit orifice,
- un écran constitué dudit matériau transparent entourant ledit orifice, ledit écran
s'opposant au passage de la lumière à travers lui et étant formé par une succession
de couches modifiées formées du matériau transparent, séparées les unes des autres,
et présentant un indice de réfraction modifié différent de l'indice de réfraction
du matériau transparent dans le reste de l'élément optique.
[0009] L'élément optique est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes,
prises seules ou en quelconque de leurs combinaisons techniquement possibles :
- la succession de couches modifiées comprend au moins quatre couches modifiées, de
préférence au moins dix couches modifiées ;
- les couches modifiées sont séparées par une distance comprise entre 10 nm et 200 nm
;
- les couches modifiées séparées les unes des autres constituent un miroir de Bragg
;
- l'orifice définit une pupille d'entrée d'un diamètre compris entre 0,5 mm et 2 mm
;
- les couches modifiées s'étendent à partir de l'orifice ;
- les couches modifiées s'étendent jusqu'à une surface de l'élément optique ;
- l'élément optique comprend également au moins une face réfléchissante.
[0010] L'invention concerne également un capteur d'empreintes digitales comprenant :
- une source lumineuse adaptée pour émettre une lumière,
- une surface d'acquisition configurée pour recevoir un doigt,
- un imageur configuré pour acquérir une image,
le capteur d'empreintes digitales comprend un élément optique selon l'invention, ledit
élément optique étant disposé entre la surface d'acquisition et l'imageur, de sorte
que la lumière en provenance de la surface d'acquisition et arrivant sur l'imageur
traverse le diaphragme de l'élément optique.
[0011] L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un élément optique selon
l'invention, comprenant les étapes de :
- fourniture d'un bloc de matériau transparent pour une lumière,
- fabrication du diaphragme par balayage par un faisceau laser femtoseconde du matériau
transparent aux emplacements des couches modifiées, modifiant ainsi l'indice de réfraction
du matériau transparent en l'indice modifié.
PRESENTATION DES FIGURES
[0012] L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte
à des modes de réalisations et des variantes selon la présente invention, donnés à
titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux dessins schématiques
annexés, dans lesquels :
- la figure 1, déjà commentée, illustre schématiquement un système optique à plusieurs
éléments distincts utilisé dans un capteur d'empreintes digitales, représentatif de
l'état de la technique ;
- la figure 2 illustre schématiquement une vue en coupe d'un élément optique monobloc
selon un mode de réalisation possible de l'invention ;
- la figure 3 illustre schématiquement un agrandissement en coupe du diaphragme d'un
élément optique monobloc selon un mode de réalisation possible de l'invention ;
- la figure 4 illustre schématiquement un instant de la fabrication du diaphragme de
la figure 3.
DESCRIPTION DETAILLEE
[0013] En référence à la figure 2, un élément optique monobloc 1 est constitué d'un matériau
transparent, permettant le passage de la lumière. Le matériau transparent peut être
tout matériau transparent dont l'indice de réfraction est susceptible d'être modifié
localement par une impulsion laser de très courte durée, typiquement comprise entre
1 femtoseconde (10
-15s) et 5x10
-13s, c'est-à-dire par un laser femtoseconde. Par exemple, le matériau transparent peut
être du plastique, tel que du polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Le matériau transparent
peut également être du verre, un cristal, ou bien encore une céramique transparente.
Il est également possible que le matériau transparent, notamment dans le cas du plastique,
contiennent des additifs afin d'en modifier les propriétés optiques, et notamment
sa réponse à une impulsion laser femtoseconde.
[0014] L'élément optique monobloc 1 est constitué d'un bloc du matériau transparent, présentant
différentes surfaces à l'interface avec le milieu extérieur. Ces surfaces peuvent
être configurées ou conformée pour remplir différentes fonctions. Ainsi, dans le cas
d'un élément optique monobloc utilisé 1 dans un capteur d'empreintes digitales, il
est possible de prévoir une surface d'acquisition 2 configurée pour recevoir le doigt
dont on souhaite acquérir l'image. Une première surface de réflexion 3 peut par exemple
être prévue pour réfléchir les rayons lumineux, notamment en provenance de la surface
d'acquisition. Cette première surface de réflexion 3 peut être conformée pour que
ces rayons lumineux soient renvoyés en direction d'une deuxième surface de réflexion
4, elle-même conformée pour renvoyer ces rayons en direction d'un diaphragme 5.
[0015] Il est possible que les réflexions intervenant sur les surfaces de réflexion 3, 4
soient des réflexions totales internes résultant du fait que les rayons lumineux présentent
des angles d'incidence sur ces surfaces de réflexion 3, 4 supérieurs aux angles critiques
définis par l'indice de réfraction du matériau transparent et la face externe de ces
surfaces, typiquement de l'air ou bien un matériau déposé sur cette face externe et
choisi pour que son indice de réfraction cause ces réflexions totales internes. Il
est également possible que les réflexions intervenant sur les surfaces de réflexion
3, 4 résultent de la présence d'un matériau réfléchissant, tel qu'une couche métallique,
déposé sur la face externe d'une surface de réflexion.
[0016] Dans l'exemple illustré, la première surface de réflexion 3 est muni d'un matériau
réfléchissant sur sa face externe, tandis que les réflexions sur la deuxième surface
de réflexion 4 résultent de réflexions totales internes. La première surface de réflexion
3 présente ainsi une forme par laquelle les rayons lumineux renvoyés vers la seconde
surface de réflexion 4 présentent une réflexion permettant de les renvoyer vers le
diaphragme 5 en prenant en compte l'aspect plan de cette seconde surface de réflexion
4. Il est aisé de déterminé la forme adéquate de cette première surface de réflexion
3 au moyen de logiciels de simulation optiques.
[0017] Il est bien entendu que l'élément optique 1 pourrait présenter une forme toute différente,
avec plus ou moins de surfaces de réflexion, voire aucune, selon des modalités variées.
Toutefois, pour des raisons de compacité et de disposition dans un capteur, l'élément
optique 1 présente de préférence au moins une surface de réflexion configurée pour
renvoyer dans l'élément optique 1 les rayons lumineux se propageant dans l'élément
optique 1 sur des trajets lumineux attendus.
[0018] Dans tous les cas, l'élément optique 1 comprend un diaphragme 5 formé dans la masse
du matériau transparent constituant l'élément optique monobloc 1. Comme visible sur
la figure 3, le diaphragme 5 comprend un orifice 6 adapté pour le passage de la lumière
à travers ledit orifice 6 selon une direction de propagation 10. Le diaphragme 5 comprend
également un écran 7 s'opposant au passage de la lumière à travers lui dans la direction
de propagation 10. L'écran 7 entoure l'orifice 6. Aussi bien l'orifice 6 que l'écran
7 sont constitué du matériau transparent constitutif de l'élément optique 1. Toutefois,
l'écran 7 est formé par une succession de couches modifiées 8 du matériau transparent.
Ces couches modifiées 8 présentent un indice de réfraction modifié différent de l'indice
de réfraction du matériau transparent dans le reste de l'élément optique 1.
[0019] L'orifice 6 définit une pupille d'entrée et présente un diamètre OF, c'est-à-dire
une plus grande dimension, transversale à la direction de la propagation 10, par exemple
compris entre 0,5 mm et 2 mm, typiquement de 0,8 mm. Le diamètre OF de l'orifice 6
est choisi en fonction de considérations géométriques incluant la forme de l'élément
optique 1, la distance prévue entre l'orifice 6 et l'imageur 9 réceptionnant les rayons
lumineux, et/ou en prenant en compte la longueur d'onde des rayons lumineux. L'orifice
6 a de préférence une section circulaire, mais sa section peut présenter une autre
forme.
[0020] Les couches modifiées 8 s'étendent à partir de l'orifice 6, et de préférence jusqu'à
une surface de l'élément optique 1. Ainsi, le diaphragme 5 barre de préférence tout
le chemin lumineux à travers l'élément optique 1 au niveau où est situé le diaphragme
5, empêchant la propagation des rayons lumineux dans la direction de propagation 10.
[0021] Les couches modifiées 8 alternent avec des espaces intercalaires 11 du matériau transparent
non modifié ou modifié différemment, ces espaces intercalaires 11 séparant les couches
modifiées 8 les unes des autres. Les couches modifiées 8 sont séparées entre elle
d'une distance Δ. Comme les couches modifiées 8 ont un indice de réfraction modifié
n
2 différent de l'indice de réfraction n
1 du matériau transparent constituant les espaces intercalaires 11, la distance Δ est
choisie de sorte à créer des interférences constructives dans la direction d'incidence
des rayons lumineux, c'est-à-dire dans la direction opposée à la direction de propagation.
On obtient ainsi un miroir de Bragg.
[0022] Ainsi, la distance Δ est choisie de sorte à s'approcher, de préférence avec une imprécision
inférieure à 10%, de la distance optimale Δ
B :
avec À la longueur d'onde des rayons lumineux dont on veut que le diaphragme bloque
le passage, et n l'indice de réfraction, en l'occurrence celui du milieu transparent
constituant les espaces intercalaires 11 entre les couches modifiées 8. A titre d'exemple,
avec un PMMA d'indice de réfraction n
1 1,51 et pour une longueur d'onde de 650 nm, la distance optimale Δ
B est d'environ 108 nm. On peut alors par exemple prendre une distance Δ de 110 nm.
De préférence, la distance Δ est comprise entre 50 nm et 200 nm, et de préférence
comprise entre 70 nm et 140 nm.
[0023] Idéalement, chaque couche modifiée 8 devrait présenter une épaisseur déterminée de
façon similaire proche de la distance optimale Δ
B, moyennant la prise en compte de l'indice de réfraction modifié n
2 différent résultant de la modification. Toutefois, il peut être difficile, en fonction
du procédé de fabrication des couches modifiées 8, de réaliser pour celles-ci une
épaisseur suffisante ou de dimension suffisamment précise. Or, ce sont les interfaces
entre les couches d'indices de réfraction différents qui donnent naissance à la diffraction
de Bragg. Il n'est donc pas nécessaire pour les couches modifiées 8 de présenter une
épaisseur particulière puisque leur seule présence définit les interfaces entre des
indices de réfraction différents. Par conséquent, l'épaisseur des couches modifiées
8 peut être quelconque, mais est de préférence aussi fine que le permet le procédé
de fabrication, afin de réduire au maximum l'étendue spatiale du diaphragme dans la
direction de propagation 10.
[0024] De fait, la capacité de l'écran 7 à s'opposer au passage de la lumière à travers
lui dépend essentiellement, outre des différences d'indices de réfraction entre les
couches modifiées 8 et le matériau transparent des espaces intercalaires 11, du nombre
de couches modifiées 8. De préférence, l'écran 7 comprend au moins 4 ou 5 couches
modifiées 8 dans la direction de propagation, et de préférence au moins 10 couches
modifiées 8, voire préférentiellement au moins 20 couches modifiées 8.
[0025] Il est à noter que les dimensions données ci-dessus, et notamment la distance Δ,
dépend de la longueur d'onde des rayons lumineux dont on cherche à bloque le passage.
Dans le cas où les rayons lumineux présentent plusieurs longueurs d'onde, il est possible
de prévoir plusieurs ensembles de couches modifiées 8 présentant chacun des configurations
propres à une longueur d'onde particulière. Il suffit par exemple de juxtaposer ces
ensembles dans la direction de propagation 10. Par exemple, lorsque le matériau transparent
est un PMMA d'indice de réfraction 1,51 et si la lumière se compose de rayons lumineux
de deux longueurs d'onde 650 nm et 800 nm, l'écran 7 peut se composer d'un premier
ensemble de couches modifiées 8 séparées par des espaces intercalaires 11 d'une épaisseur
de 108 nm, puis d'un second ensemble de couches modifiées 8 séparées par des espaces
intercalaires 11 d'une épaisseur de 132 nm. Le premier ensemble renvoie les rayons
ayant pour longueur d'onde 650 nm, puis le second ensemble renvoie les rayons ayant
pour longueur d'onde 800 nm.
[0026] L'élément optique 1 se caractérise par sa facilité de fabrication, dont un procédé
va maintenant être décrit. La première étape consiste à fournir un bloc de matériau
transparent pour une lumière, comme précédemment décrit. Ainsi qu'illustré sur la
figure 4, le diaphragme 5 est alors fabriqué dans la masse du bloc de matériau transparent,
par balayage par un faisceau laser femtoseconde 20 du matériau transparent aux emplacements
des couches modifiées 8. Le laser femtoseconde 20 émet des impulsions laser de très
courtes durées, typiquement comprises entre 1 femtoseconde (10
-15s) et 5x10
-13s. Le balayage peut être obtenu en modifiant la focalisation du laser femtoseconde
20. Typiquement, le laser femtoseconde 20 balaie par son faisceau un premier plan
correspondant à l'emplacement d'une première couche modifiée 8, puis balaie ensuite
un deuxième plan correspondant à l'emplacement d'une deuxième couche modifiée 8, et
ainsi de suite, balayant l'ensemble des emplacements des couches modifiées 8 l'une
après l'autre. Ainsi qu'évoqué plus haut, il est possible de se satisfaire de l'épaisseur
obtenue après un simple balayage par le laser femtoseconde 20. S'il était souhaité
obtenir des couches modifiées plus épaisse, par exemple pour donner à une couche modifiée
8 une épaisseur optimale permettant une diffraction de Bragg, il suffit d'effectuer
plusieurs balayage laser à des emplacements adjacents pour obtenir une couche modifiée
de l'épaisseur désirée.
[0027] La longueur d'onde du laser femtoseconde 20 est choisie en fonction du matériau transparent
dont on veut modifier localement l'indice de réfraction, de même que la fluence du
laser ou sa durée d'impulsion, afin de modifier l'indice de réfraction du matériau
transparent en l'indice modifié. Par exemple, pour un matériau transparent en PMMA,
un laser femtoseconde à 200 nm peut être utilisé. Les impulsions laser de très courtes
durées du laser femtoseconde 20 permettent d'affecter la matière du matériau transparent
sans induire d'effets thermiques dans celui-ci. Plus l'indice modifié diffère de l'indice
de réfraction du matériau transparent, plus l'écran 7 du diaphragme 5 sera efficace.
Les paramètres du laser femtoseconde 20 sont donc choisis dans ce but.
[0028] L'élément optique 1 est particulièrement adapté à la réalisation d'un capteur d'empreintes
digitales. Un tel capteur d'empreintes comprend alors :
- une source lumineuse adaptée pour émettre une lumière,
- une surface d'acquisition configurée pour recevoir un doigt,
- un imageur 9 configuré pour acquérir une image,
- un élément optique 1 comme précédemment décrit, ledit élément optique étant disposé
entre la surface d'acquisition et l'imageur, de sorte que la lumière en provenance
de la surface d'acquisition et arrivant sur l'imageur traverse le diaphragme 5 de
l'élément optique 1. La surface d'acquisition 2 peut être une surface de l'élément
optique 1, comme illustré sur la figure 2.
[0029] L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux figures
annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution
des divers caractéristiques techniques ou par substitution d'équivalents techniques,
sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.
1. Élément optique (1) monobloc constitué d'un matériau transparent pour une lumière,
caractérisé en ce que ledit élément optique comprend un diaphragme (5) formé dans la masse dudit matériau
transparent, le diaphragme (5) comprenant :
- un orifice (6) constitué dudit matériau transparent, adapté pour le passage de la
lumière à travers ledit orifice (6),
- un écran (7) constitué dudit matériau transparent entourant ledit orifice (6), ledit
écran (7) s'opposant au passage de la lumière à travers lui et étant formé par une
succession de couches modifiées (8) formées du matériau transparent, séparées les
unes des autres, et présentant un indice de réfraction modifié différent de l'indice
de réfraction du matériau transparent dans le reste de l'élément optique.
2. Élément optique (1) monobloc selon la revendication 1, dans lequel la succession de
couches modifiées (8) comprend au moins quatre couches modifiées, de préférence au
moins dix couches modifiées.
3. Élément optique (1) monobloc selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel les
couches modifiées (8) sont séparées par une distance comprise entre 10 nm et 200 nm.
4. Élément optique (1) monobloc selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les
couches modifiées (8) séparées les unes des autres constituent un miroir de Bragg.
5. Élément optique (1) monobloc selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'orifice
(6) définit une pupille d'entrée d'un diamètre compris entre 0,5 mm et 2 mm.
6. Élément optique (1) monobloc selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel les
couches modifiées (8) s'étendent à partir de l'orifice (6).
7. Élément optique (1) monobloc selon la revendication précédente, dans lequel les couches
modifiées (8) s'étendent jusqu'à une surface de l'élément optique.
8. Élément optique (1) monobloc selon l'une des revendications précédentes, comprenant
également au moins une face réfléchissante (4).
9. Capteur d'empreintes digitales comprenant :
- une source lumineuse adaptée pour émettre une lumière,
- une surface d'acquisition (2) configurée pour recevoir un doigt,
- un imageur (9) configuré pour acquérir une image,
caractérisé en ce que le capteur d'empreintes digitales comprend un élément optique (1) selon l'une quelconque
des revendications précédentes, ledit élément optique (1) étant disposé entre la surface
d'acquisition et l'imageur, de sorte que la lumière en provenance de la surface d'acquisition
et arrivant sur l'imageur traverse le diaphragme (5) de l'élément optique.
10. Procédé de fabrication d'un élément optique selon l'une des revendications 1 à 8,
comprenant les étapes de :
- fourniture d'un bloc de matériau transparent pour une lumière,
- fabrication du diaphragme par balayage par un faisceau laser femtoseconde (20) du
matériau transparent aux emplacements des couches modifiées (8), modifiant ainsi l'indice
de réfraction du matériau transparent en l'indice modifié.